【コラム】ポリマー産業におけるNIR分光法:QCおよび製品スクリーニングのための理想的なツール―第4部
2021/07/05
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ポリアミド(ナイロン):簡単な紹介
ポリアミドは、一般にナイロンとしてよく知られており、DuPont社の化学者であったアメリカ人有機化学者、ウォーレス・ヒューム・カロザースによって最初に合成されました。1935年、彼はPA66、すなわちナイロン66として知られる配合を開発しました。
そのわずか数年後の1938年、IG Farben社に勤務していたドイツ人化学者パウル・シュラックは、有機化合物カプロラクタムを基にした別の分子であるPA6(ナイロン6としても知られる)を開発しました。これら両タイプのポリアミドは、多くの種類の用途に適しています。PA6かPA66のどちらを使用するかは、必要とされる技術要件や経済的制約によって異なります。
最も広く使用されているポリアミドは、圧倒的にPA66とPA6です。これらのポリアミドは、繊維産業向けの繊維や、包装産業向けのフィルムとして製造されることが最も多くなっています。ポリアミドは、数多くの産業向けの部品の製造にも使用されています。
最も高性能なポリアミドは、PPA(ポリフタルアミド、または高性能ポリアミド)とPA46です。こうした特性を持つポリアミドは、金属材料の代替として、あるいは自動車の構造部品や安全ヘルメットなど、ポリマーが過酷な条件にさらされる非常に特定の用途によく使用されます。
ポリアミド6(PA6/ナイロン6)とポリアミド66(PA66/ナイロン66)の違い
ポリアミド6(PA6)は、ナイロン6またはポリカプロラクタムとしても知られています。ポリアミドファミリーの中で最も広く使用されている化合物の一つです。PA6は、カプロラクタムの開環重合によって合成されます。
ポリアミド66(PA66)は、ナイロン66としても知られており、エンジニアリング用途で最も広く使用される熱可塑性樹脂の一つであり、主にさまざまな用途における金属材料の代替として使用されています。ナイロン66は、ヘキサメチレンジアミンとアジピン酸(いずれも6個の炭素原子を含む2種類のモノマー)の重縮合によって合成されます。
PA6とPA66の違いは、多くの細かな点に集約されます。両者ともに費用対効果は高いものの、ナイロン6は通常、ナイロン66よりも約30%安価です。この2種類のポリマーについて、さまざまな要因を比較したものを表1に示します。
表1. PA6とPA66の比較
| パラメータ | PA6 | PA66 |
|---|---|---|
| 被削性（工具摩耗および表面仕上げ） | 良好 | より良好 |
| 成形収縮 | より低い | より高い |
| 吸水率 | より高い | より低い |
| 引張強度 | 6.2 × 10⁴ kPa（良好） | 8.2 × 10⁴ kPa（より良好） |
| 結晶融点 | 225 °C | 265 °C |
| 密度 | 1.15 g/mL | 1.2 g/mL |
| 一般的な成形収縮率 | 1.2 % | 1.5 % |
PA66およびPA6の主な特性
先述の通り、ポリアミド66(PA66)およびポリアミド6(PA6)は、その優れた性能と比較的低コストであることから、実に多様な用途で使用されています。これらのポリアミドの最も重要な特性の一部を以下に挙げます:
- 高温下での高い強度と剛性
- 低温下でも良好な耐衝撃性
- 良好な耐摩耗性
- 燃料や油に対する優れた耐性
- 良好な耐疲労性
- 加工しやすい非常に良好な流動性
- PA6は非常に低い粘度を持つため、優れた表面外観とPA66より優れた加工性を有する
- 良好な電気絶縁特性
- 高い吸水性は、用途や使用を制限する場合がある
- 低い寸法安定性(吸水により寸法変化が生じる)
ポリアミドの品質評価ツールとしての近赤外分光法
近赤外分光法(NIRS)は、30年以上にわたり、ポリアミド産業における迅速かつ信頼性の高い品質管理の確立された方法です。しかしながら、多くの企業は依然として、自社のQA/QC実験室におけるNIRSの導入を一貫して検討していません。その理由は、応用可能性に関する経験の不足、または新しい方法の導入に対する一般的な躊躇のいずれかである可能性があります。
NIRSを他の従来型分析技術と比較して使用することには、いくつかの利点があります。第一に、NIRSはサンプル前処理なしで、わずか30秒で複数のパラメータを測定することができます!物理的および化学的なサンプル特性の両方の影響を受ける、NIRSが使用する非侵襲的な光と物質の相互作用は、両方のタイプの特性を決定するための優れた方法となっています。
本記事の残りの部分では、まずポリアミドの用途について簡単な概要を示した後、ASTM E1655のNIRS導入ガイドラインに従って開発された、ポリアミド分析向けの利用可能なターンキーソリューションについて説明します。
NIRSによるポリアミドの応用とパラメータ
ポリアミドの製造では、特定の重要な品質パラメータを定期的にチェックする必要があります。代表的なパラメータには、相対粘度、アミン末端基およびカルボキシル末端基、そして水分含有量があります。ポリアミドの官能基および粘度分析は、サンプルの溶解性が限られていることや、異なる分析方法を使用する必要があることから、通常は時間がかかり困難なプロセスとなります。さらに、ポリアミド製造における重要な前駆体であるカプロラクタムは、非常に吸湿性が高く水溶性であるため、水分含有量の決定には信頼性の高い分析技術を用いることが不可欠です。そうでなければ、最終製品の品質が損なわれる可能性があります。
PA品質パラメータのNIRS分析における最も関連性の高い応用例は、本記事の後半、表2に示されています。
ポリアミドの製造プロセスにおいて、NIRSはどこで使用できるか
図4は、プラスチック生産業者からプラスチックコンパウンド業者、プラスチック加工業者を経て、プラスチック部品・繊維製造業者に至る個々の工程を示しています。近赤外実験室用装置が使用できる最初の工程は、PAなどの純粋なポリマーが製造され、その純度を確認する必要がある段階です。NIRSは、ポリマーがさらなる加工に使用される中間製品にコンパウンドされる次の工程においても、非常に有用な技術です。
プラスチック製造業者にとって容易なNIR分光法の導入
メトロームはポリアミドの分析について豊富な専門知識を有しており、DS2500 Polymer Analyzerという形でターンキーソリューションを提供しています。この装置は、さまざまなポリアミド中の複数の品質パラメータを決定するための、すぐに使用可能なソリューションです。
応用例:DS2500 Polymer Analyzerにおけるポリアミド産業向け利用可能な事前校正
表2に示されたパラメータの決定は、従来の実験室的手法では時間がかかり困難なプロセスです。これらすべてを測定するには、複数の異なる技術が必要であり、サンプルの分析(溶解性が限られているため、状況をさらに複雑にする)だけでなく、装置の管理・維持にも相当な時間を要します。
表2. PA試料における各種品質パラメータの測定に関する一次法とNIRSの比較
| パラメータ | 一次法 | 結果取得時間（一次法） | 関連するNIRSアプリケーションノート | NIRSの利点 |
|---|---|---|---|---|
| 相対粘度 | 粘度測定法 | 前処理90分 + 粘度計1分 | AN-NIR-077 AN-NIR-060 AN-NIR-005 | 4つのパラメータすべてを、試料前処理や化学試薬を必要とせず、1分以内に同時測定できます |
| カルボキシル末端基 | 滴定 | 前処理90分 + 滴定20分 | 4つのパラメータすべてを、試料前処理や化学試薬を必要とせず、1分以内に同時測定できます | |
| アミン末端基 | 滴定 | 前処理90分 + 滴定20分 | 4つのパラメータすべてを、試料前処理や化学試薬を必要とせず、1分以内に同時測定できます | |
| 水分含有量 | Karl Fischer滴定法（加熱炉法） | 前処理2分 + KF滴定（加熱炉法）15分 | 4つのパラメータすべてを、試料前処理や化学試薬を必要とせず、1分以内に同時測定できます |
ポリアミド用に作成されたNIRS予測モデルは、実際の製品スペクトルの大規模な収集に基づいており、ASTM E1655 赤外多変量定量分析のための標準指針に準拠して開発されています。このトピックについて詳しくは、無料のホワイトペーパーをご覧ください。
ポリアミド向けの事前校正について詳しくは、パンフレットおよび以下の専用ウェブページをご覧ください。
図6は、表2に示されたPA中の複数の品質パラメータを非破壊的に決定するための、メトロームのターンキーソリューションによる結果を示しています。
本ソリューションは、NIR分光法がサンプル前処理や化学試薬を使用せず、1分未満でポリアミド中の複数のパラメータの分析に非常に適していることを実証しています。この手順について詳しくは、無料のアプリケーションノートをご覧ください。
ポリアミドの品質管理―NIR分光法を用いた粘度、官能基、および水分の1分以内での決定
上記の例はPA6およびPA66に関するものですが、NIRSは、異なる鎖長のポリアミドの迅速なスクリーニングおよびQCにとっても間違いなく優れたツールです。
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